Sipping Tea: General Introduction of the Organic Components in Tea

Yang Jiayi, Lian Yuhan, Hu Xiangdong ,, Wang Yunxia ,

National Chemistry Experimental Teaching Demonstration Center, College of Chemistry and Materials Science, Northwest University, Xi'an 710127, China

Abstract

Sipping tea is not only an important part of people's daily life, but also one of the contents of elegant life. From the perspective of chemistry, this article popularizes the basic properties and bioactivities of the organic compounds contained in tea from color, fragrance and taste. It is expected to provide general knowledge of organic chemistry and health care functions of tea for readers, and encourage chemists to develop more products to make tea better serve life.

Keywords：Tea;Component;Organic compound;Bioactivity

本文引用格式

楊佳怡, 連宇晗, 胡向東, 王云俠. “品”茶——淺談茶葉中的有機(jī)化學(xué)成分. 大學(xué)化學(xué)[J], 2022, 37(9): 2204055-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202204055

Yang Jiayi. Sipping Tea: General Introduction of the Organic Components in Tea. University Chemistry[J], 2022, 37(9): 2204055-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202204055

中國(guó)是茶的故鄉(xiāng)，亦是茶文化的發(fā)源地，古有《神農(nóng)本草經(jīng)》中記載：“神農(nóng)嘗百草，日遇七十二毒，得茶而解之?！边h(yuǎn)在神農(nóng)時(shí)代各地就發(fā)現(xiàn)了不同品種的茶樹(shù)，并意識(shí)到了茶葉具有潛在的藥用價(jià)值和保健功能，諸如清熱解毒、提神明目、利腸消食等[1]。現(xiàn)如今茶葉普及于世界各地，種類更是層出不窮，也已成為人們?nèi)粘Ｉ钪幸环N司空見(jiàn)慣的飲品。

我國(guó)的茶葉一共分為六大類：綠茶、紅茶、烏龍茶(又稱青茶)、黃茶、白茶和黑茶。不同茶葉的色、香、味和生物學(xué)活性等特征各不相同，現(xiàn)在就讓我們跟隨化學(xué)大師們一起探索茶葉不同特征的來(lái)源以及其間的化學(xué)知識(shí)吧。

1 鐘粹漫山景，新茶綠滿甌

紅茶湯呈紅棕色，綠茶湯呈翠綠色，而白茶湯則略顯黃色，不同品種的茶湯均有著不同的色澤外觀，聰明的化學(xué)大師們發(fā)現(xiàn)茶葉中富含的植物色素不同，則茶葉和茶湯的顏色不同，下面我們一起來(lái)揭開(kāi)茶葉中植物色素的神秘面紗。

1.1 茶紅素

茶紅素(thearubigins，TRs)是存在于紅茶中的一類橙褐色色素，是紅茶“紅湯紅葉”的物質(zhì)基礎(chǔ)，占紅茶干重的15%–20%。茶紅素屬于多酚類化合物，具有較為復(fù)雜的組成和結(jié)構(gòu)，相對(duì)分子質(zhì)量集中在700–40000 Da，圖 1是其中一個(gè)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)圖。茶紅素易溶于水，在水中呈深紅色且顯酸性，pH約為2.5–3.2。茶紅素不是茶樹(shù)天然產(chǎn)生的，而是發(fā)酵過(guò)程中，兒茶素和沒(méi)食子兒茶素在內(nèi)源多酚氧化酶(polyphenol oxidase，PPO)和過(guò)氧化物酶(peroxidase，POD)的作用下，經(jīng)氧化縮聚反應(yīng)形成的。茶紅素具有抗氧化、抗癌、抗腫瘤、抗神經(jīng)毒素和預(yù)防肥胖等多種生物學(xué)活性[2]。由于具有抗氧化和清除自由基的功能，茶紅素在食品生產(chǎn)領(lǐng)域可用做食物著色劑和防腐劑，是理想的食品添加劑；在醫(yī)藥化工領(lǐng)域，可添加入藥物以達(dá)抗菌、抗病毒、抗衰老和預(yù)防心腦血管病的功效。目前主要通過(guò)有機(jī)溶劑提取和色譜分離方法獲得茶紅素類化合物[3]。

圖1

1.2 茶黃素

伴隨著茶紅素的發(fā)現(xiàn)，其孿生兄弟茶黃素(theaflavins，TFs)也逐漸進(jìn)入人們的視野。茶黃素是紅茶湯色“亮”的主要成分，占茶葉干重的0.5%–2%。與茶紅素類似，茶黃素是在茶葉發(fā)酵過(guò)程中，由兒茶素氧化形成的一類具有苯并卓酚酮結(jié)構(gòu)的化合物。其中茶黃素、茶黃素-3-單沒(méi)食子酸酯(theaflavin-3-gallate，TF-3-G)、茶黃素-3’-單沒(méi)食子酸酯(theaflavin-3’-gallate，TF-3’-G)和茶黃素-3, 3’-雙沒(méi)食子酸酯(theaflavin-3, 3’-gallate，TF-3, 3’-G)是紅茶中四種主要的茶黃素(圖 2) [4]。茶黃素不僅是決定紅茶品質(zhì)的重要指標(biāo)，而且具有抗氧化、抗癌防癌、抗菌、抗病毒、抗炎、抗心腦血管疾病和調(diào)節(jié)神經(jīng)功能等多種功能。僅靠茶葉中提取的茶黃素難以滿足食品和醫(yī)藥領(lǐng)域的研究需求，目前文獻(xiàn)已報(bào)道了用非酶促仿生合成方法來(lái)制備茶黃素[5]。

圖2

1.3 葉綠素

葉綠素(chlorophyll)是構(gòu)成綠茶干茶和葉底綠色的主要色素，主要分為葉綠素a和葉綠素b兩種(圖 3)，葉綠素a和葉綠素b分別在紅光區(qū)(620–700 nm)和藍(lán)紫區(qū)(400–500 nm)有兩個(gè)吸收峰，而在綠光區(qū)(520–580 nm)無(wú)吸收峰，因此葉綠素呈現(xiàn)綠色，其中葉綠素a為藍(lán)綠色而葉綠素b呈黃綠色。茶的鮮葉中，葉綠素約占茶葉干重的0.3%–0.8%，葉綠素a含量為葉綠素b含量的2–3倍。葉綠素屬于脂溶性色素，不易溶于水而易溶于乙醇和丙酮等有機(jī)溶劑。茶葉加工過(guò)程中形成的葉綠素衍生物中，脫鎂葉綠素呈橄欖綠，焦脫鎂葉綠素呈暗橄欖綠，這兩種葉綠素衍生物為脂溶性，是綠茶葉底綠色的重要組成部分；脫植葉綠素呈綠色、脫鎂脫植葉綠素和焦脫鎂脫植葉綠素呈橄欖綠，這三種葉綠素衍生物為水溶性，是綠茶茶湯中綠色的主要成分。通常葉綠素是以植物或干燥的蠶沙為原料，采用有機(jī)溶劑提取的方法獲得。在化工領(lǐng)域，葉綠素可作為著色劑、染色劑或綠色偽裝涂料；研究發(fā)現(xiàn)，葉綠素還具有改善便秘、降低膽固醇、抗衰老、排毒消炎、脫臭和抗癌抗突變等功能，因此在食品與藥品領(lǐng)域應(yīng)用也十分廣泛[6]。

圖3

2 俗人多泛酒，誰(shuí)解助茶香

每種茶葉都有著其獨(dú)特的香氣，因而常常將茶葉香氣作為評(píng)價(jià)茶葉品質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。此前已從茶葉中完成分離提取的香氣物質(zhì)有700多種，其中主要包括醇、醛、酮、酸、酯、酚及雜環(huán)類化合物。不同含量、不同種類的香氣物質(zhì)共同調(diào)制出茶葉獨(dú)到的香氣。

茶葉的香氣與其加工工藝密不可分。綠茶的加工工藝較為簡(jiǎn)單，其香氣主要來(lái)源于烴類、醛酮類、羧酸類、酯類、過(guò)氧化物和硫化物；紅茶經(jīng)歷了復(fù)雜的發(fā)酵過(guò)程，因此其香氣成分種類繁多，其特色的香氣也在此過(guò)程中產(chǎn)生。迄今為止，已檢測(cè)出的紅茶中所蘊(yùn)含的香味物質(zhì)共有400多種，其中芳樟醇(圖 4a)、橙花醇(圖 4b)、水楊酸甲酯、壬醛和苯乙醛等香氣成分在紅茶中含量較高；烏龍茶關(guān)鍵的呈香物質(zhì)有萜烯類、酯類和烯醇類化合物，其中香葉醇(圖 4c)占香氣物質(zhì)的60%左右，香葉醇也以其易提取、易合成的優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于我們的生活用品中；黑茶中除了一些醇類、羰基化合物外，烷氧基苯類化合物則是其呈香的關(guān)鍵物質(zhì)；白茶的加工過(guò)程最少，主工序?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的枯萎和干燥。主要的香氣物質(zhì)為己醛、(E)-2-己烯醛、苯甲醛、苯乙醛、(E)-香葉醇、苯乙醇、芳樟醇及其氧化物。隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，白茶中的香氣物質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，其中的香氣特征也會(huì)隨之發(fā)生顯著變化；黃茶獨(dú)特的“悶黃”工序和“先低后高”的干燥方式形成了黃茶特殊的“鮮甜”及“鍋巴香”，其中的香氣物質(zhì)主要以烴類化合物、醇類、酮類和酯類為主[7]。

圖4

圖4  三種香氣物質(zhì)的結(jié)構(gòu)

(a) 芳樟醇；(b) 橙花醇；(c) 香葉醇

3 酒闌更喜團(tuán)茶苦，夢(mèng)斷偏宜瑞腦香

不同茶葉的味道各不相同而又各具特色，除過(guò)加工工藝的錦上添花，其背后的根本在于咖啡因、L-茶氨酸、茶多糖等調(diào)味物質(zhì)的不懈努力。

3.1 咖啡因

咖啡因(caffeine)又稱咖啡堿(圖 5)，是茶葉中苦味的來(lái)源，也是茶葉的特征性成分。其在茶樹(shù)中以幼嫩芽葉中含量最高，而在其他含咖啡因植物中則多存在于種子或果實(shí)，因此人們常以此來(lái)鑒別茶葉的真假。咖啡因是茶葉中含量最高的一類生物堿，具有白色、無(wú)臭和苦味等特征，易溶于水和乙醇，在光和熱條件下也比較穩(wěn)定?？Х纫蛟邗r茶葉中的含量為2%–5%。其含量隨著茶樹(shù)品種、生長(zhǎng)季節(jié)和采摘嫩度不同呈現(xiàn)出差異。一般來(lái)說(shuō)，細(xì)嫩茶葉中含量比粗老葉高；不同季節(jié)的茶葉中咖啡因的含量也不同，其中春茶的咖啡因含量最多，夏茶次之，冬茶中含量最少[8]。

圖5

茶葉中的咖啡因可以通過(guò)升華、溶劑萃取、離子沉淀、柱層析、超聲波提取及超臨界流體萃取等方法得到，目前工業(yè)上主要以氰基乙酸為原料，經(jīng)過(guò)縮合、硝化、甲基化等反應(yīng)來(lái)合成咖啡因[9]。在食品加工領(lǐng)域，咖啡因常用來(lái)生產(chǎn)能量飲料和速食食品；在保健和醫(yī)藥領(lǐng)域，咖啡因常用于保健飲品生產(chǎn)和早產(chǎn)兒的治療，具有抗疲勞、改善精神障礙和護(hù)肝等功能[7]。值得注意的是咖啡因的生物學(xué)功能具有雙重性，過(guò)量攝入會(huì)引起神經(jīng)系統(tǒng)過(guò)度興奮，可能導(dǎo)致失眠、心悸、頭痛等不良反應(yīng)，而且嬰幼兒、孕婦和哺乳期婦女等須特別謹(jǐn)慎使用。

3.2 L-茶氨酸

L-茶氨酸(L-theanine)是茶葉中特有的一類非蛋白質(zhì)游離氨基酸，又名谷氨酰乙胺，主要呈類焦糖香與類似味精的鮮爽味，是茶葉鮮味的來(lái)源(圖 6)。L-茶氨酸是由谷氨酸和乙胺在茶樹(shù)根中合成并儲(chǔ)藏在茶葉中，在茶葉中占游離氨基酸的50%以上，其含量對(duì)茶的風(fēng)味起決定性作用，白茶中L-茶氨酸含量最多，依次是綠茶、黃茶、烏龍茶和紅茶，黑茶中含量最少[10]。在食品加工領(lǐng)域，由于L-茶氨酸易溶于水，而且具有抑制苦味及改善食品風(fēng)味的特點(diǎn)，因此作為添加劑廣泛應(yīng)用于茶飲料、點(diǎn)心、糖果、果凍和口香糖等許多食品中。同時(shí)，茶氨酸具有降血壓、抗腫瘤、靜心安神、減輕體脂和提高記憶力等保健功能[11]。L-茶氨酸可以從天然產(chǎn)物中提取獲得，也可以通過(guò)化學(xué)合成法、微生物發(fā)酵法和植物組織培養(yǎng)法來(lái)制備[12]。

圖6

3.3 茶多糖

茶葉的甘甜味主要來(lái)源于茶多糖(tea polysaccharide)，是一種相對(duì)分子質(zhì)量約為1 × 104–10 × 104 Da的水溶性復(fù)合多糖，是茶葉中除酚類物質(zhì)以外另一個(gè)重要生物活性成分。其在高檔茶中含量約為0.4%–0.9%，而在低檔茶葉中含量較高，約為0.8%–1.5%。因此工業(yè)上通常主要從低檔茶葉中提取茶多糖。茶多糖由糖類、蛋白質(zhì)、果膠和灰粉等物質(zhì)組成，來(lái)源和提取方法不同，其單糖組成不盡相同，其中糖類主要包括有葡萄糖、阿拉伯糖、核糖、半乳糖、甘露糖、木糖及果糖等[13]。

茶多糖提取與純化規(guī)模不大，通常的方法是將原料水浸提或用乙醇浸泡回流后將沉淀過(guò)濾去除，取濾液濃縮脫脂、脫蛋白并再次使用乙醇沉淀，得到濾渣即為茶多糖粗產(chǎn)品，最后通過(guò)精制、干燥獲得茶多糖[14]。茶多糖具有抗糖尿病、抗氧化、抗腫瘤、增強(qiáng)免疫和調(diào)節(jié)腸道菌群等多重生物活性，因此廣泛應(yīng)用于功能食品、食品級(jí)包裝膜、藥用成分和藥物輸送載體等的領(lǐng)域。

4 結(jié)語(yǔ)

從柴米油鹽醬醋茶，到琴棋書(shū)畫(huà)詩(shī)香茶，茶在人們生活中扮演著不可或缺的角色。隨著人們生活水平的提高，對(duì)茶葉的要求也從口感好逐步轉(zhuǎn)向其養(yǎng)生保健的功效。在化學(xué)與生活密切相關(guān)的今天，化學(xué)家們將對(duì)茶葉這種天然可再生資源的功效進(jìn)行進(jìn)一步研究，相信不久的將來(lái)，更多茶葉類產(chǎn)品將不斷上市，更好地服務(wù)于人們生活。

參考文獻(xiàn)

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舒心, 高彥祥. 食品工業(yè)科技. [2021-12-01]. https://doi.org/10.13386/j.issn1002-0306.2021080311

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[本文引用: 1]

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